橡胶成型模具.pdf

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第八章橡胶成型模具...........................................................................................................................1
第一节概述...................................................................................................................................1
一、橡胶的成型性能.............................................................................................................1
二、橡胶成型模具及其在橡胶成型加工中的作用.............................................................2
三、橡胶模具的分类.............................................................................................................3
四、橡胶制品成型及其加工方法.........................................................................................3
第二节橡胶压制成型模具...........................................................................................................5
一、概述.................................................................................................................................5
二、橡胶压制成型模具的设计要点.....................................................................................5
三、压制模具与压机的关系.................................................................................................6
四、橡胶压制成型模具的设计.............................................................................................7
第三节橡胶压铸成型模具.........................................................................................................27
一、概述...............................................................................................................................27
二、压铸成型基本原理.......................................................................................................27
三、橡胶压铸成型模具结构...............................................................................................28
四、橡胶压铸成型模具的设计要点...................................................................................35
五、橡胶压铸成型模具的工艺要求...................................................................................35
六、典型结构.......................................................................................................................38
第四节橡胶注射成型模具.........................................................................................................39
一、概述...............................................................................................................................39
二、橡胶注射硫化的基本原理...........................................................................................39
三、橡胶注射模具与注射机的关系...................................................................................40
四、橡胶注射硫化模具的设计要点...................................................................................40
第五节橡胶挤出成型模具.........................................................................................................41
一、概述...............................................................................................................................41
二、橡胶挤出工艺对设备的要求.......................................................................................42
三、橡胶挤出成型模具的设计要点...................................................................................44
四、口型模的典型结构.......................................................................................................46
参考文献.......................................................................................................................................51
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第八章橡胶成型模具
第一节概述
橡胶、塑料、纤维都是高分子材料。橡胶与塑料、纤维相比,具有很高的弹性,常温下具有高
弹性是橡胶的独具特征,是任何其它材料所不具备的,因此橡胶也被称为弹性体。
橡胶有天然橡胶和合成橡胶两大类。
一、橡胶的成型性能
(一)橡胶的力学性能特点
橡胶种类很多,不同种类的橡胶尽管其性能相差很大,但作为橡胶应具有以下力学共性。
(1)具有特别大的弹性变形,可以被拉伸到1000%甚至以上;
(2)变形后去掉外力,形变能迅速恢复,永久变形很小;
(3)弹性模量小,只有105~106Pa,即较小的外力就会使橡胶产生较大的形变;
(4)橡胶的应力—应变曲线不像金属,也不像塑料,不出现屈服现象。
由于橡胶上述特殊的力学性能,决定了它与塑料、纤维有着不同的成型工艺过程。
(二)橡胶的基本成型工艺过程

天然橡胶和合成橡胶在未经预加工处理之前统称为“生胶”。生胶不耐温,在较高温度下变软乃
至粘流,不能保持稳定的形状和必要的性能;低温下变硬变脆。因此,生胶必须经过一系列加工处
理之后才能具备应有的使用性能。由于生胶块一般都较大,需要进行切胶,将大块胶切割成小块,
便于预加工处理。未经过预加工处理的生胶由于强韧的高弹性给成型加工带来了极大的困难,使得
在产品制造过程中所施加的机械功消耗在橡胶的可逆弹性变形上。为此,需要通过机械应力、热、
氧或加入某些添加剂等方式,使生胶由强韧的弹性状态转变为柔软、便于加工的塑性状态。这种使
生胶增加可塑性的工艺过程称作塑炼。塑炼后的生胶叫塑炼胶,塑炼可以采用密炼机、开炼机或螺
杆塑炼机进行。
塑炼的功能是使生胶大分子降解断链,分子量降低,生胶的性能随之发生一系列变化,弹性减
小,塑性增加,溶解度增大,溶液粘度降低,粘着性增大,化学活性提高等,这样就可获得适合各
种加工工艺要求的可塑性,使橡胶与添加剂在混炼过程中易于混合分散均匀,在压延、挤出和成型
时容易操作,胶料易于渗入纤维,胶料的溶解性和粘着性得以提高,使制品获得清晰的轮廓。

为了提高橡胶的物理机械性能,降低成本,改善加工工艺,除选用合适的橡胶外,还要加入各
种助剂。所谓助剂是指橡胶加工中用的硫化剂、硫化促进剂、活化剂、防老剂、补强剂、填充剂、
软化剂、着色剂等各类化学药品。而橡胶与助剂混炼后的材料就叫混炼胶或俗称胶料。通常采用密
炼机混炼,量少品种也宜用开炼机混炼。世界上各种新型的螺杆连续混炼机也已研制成功并开始试
用。
、压延和成型
这三道工序用以制造一定形状的半成品。混炼胶经挤出后可制成一定形状的坯料(如胶管、轮
胎胎面、胶鞋大底等)。通过压延可进行织物挂胶,然后将一定形状的坯料和压延胶布、胶片在专门
的成型设备上粘贴、压合,制成各种未经硫化的橡胶制品的半成品。
1:.

上述已成型的半成品,在一定温度和压力下,经过一定时间后,橡胶与硫磺(或其它硫化剂)
发生化学反应,这样就可以得到弹性好、强度高的橡胶制品。
、压铸、注射成型
这三种成型均是将混炼胶放入或注入模具里成型并且在一定温度和压力下硫化交联形成三维网
状结构的橡胶制品,制品的成型和硫化均在模腔里完成。
虽然橡胶制品的种类很多,品种规格数不胜数,但是生产各种橡胶制品的原材料、工艺过程及
设备等,却有许多共同之处。
橡胶制品的主要原料是生胶,同时还要添加各种助剂,采用纤维织物和金属材料作骨架。制造
胶浆时,还需要大量的溶剂。橡胶制品生产的基本工艺过程包括塑炼、混炼、挤出、压延、成型、
硫化等基本工序,如图8-1所示。
生胶助剂纤维材料溶剂金属材料
切胶,烘胶预加工浸浆胶浆化学处
热伸张制造理清洗
压延
塑炼混炼成型硫化成品
挤出
压制成型、硫化成品
压铸成型、硫化成品
注射成型、硫化成品
图8-1橡胶制品生产基本工艺过程示意图
由以上介绍可知,橡胶成型加工与热塑性塑料成型加工有两个显著不同之处。其一,首先要将
弹性的生胶进行塑炼,使橡胶大分子断链,降低分子量,使高弹性的生胶变成具有一定塑性的橡胶
料,便于成型加工;其二,为了恢复橡胶原有的弹性,经过塑炼的橡胶在添加的多种助剂中,必须
有硫化剂(如硫磺),经过硫化处理,使线状橡胶大分子进行交联,形成三维网状大分子(这一点类
似于热固性塑料成型),不仅恢复橡胶原有的弹性,而且强度、耐热性能得到显著提高,使之变成为
弹性高、物理机械性能好的橡胶制品。故解决塑性和弹性的矛盾是整个橡胶成型加工工艺过程的特
点。
二、橡胶成型模具及其在橡胶成型加工中的作用
由于橡胶具有独特的高弹性能、优异的疲劳强度、极好的电绝缘性和耐磨性等,被广泛用于制
造轮胎、减震制品、密封制品、化工防腐材料和电缆绝缘材料。因此,无论是交通运输、机械制造、
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国防工业、航天航空,还是农业、医疗卫生、日常生活用品等领域,橡胶都有着极其广泛的用途。
我国年耗橡胶量已居世界第二位,橡胶加工业在国民经济中占据重要的地位。
橡胶制品大多数是通过模具来成型加工成为制品或半成品的,模具质量的优劣直接关系橡胶制
品的形状、尺寸精度、内在质量、表观质量等。橡胶制品生产过程中,合理的加工工艺、高效的设
备、先进的模具是现代橡胶制品生产中必不可少的三项重要因素,而橡胶模具对实现橡胶加工工艺
要求、橡胶制品使用要求和造型设计起着重要作用。此外,产品的生产和更新都以模具制造和更新
为前提。橡胶制品品种的不断创新及产量的飞跃发展,对橡胶模具提出了越来越高的要求,促使橡
胶模具设计、制造不断向前发展,因此,橡胶成型模具在橡胶成型加工中起着重要的作用。
三、橡胶模具的分类
橡胶模具的种类较多,但根据模具结构和成型工艺的不同,大体上可将橡胶成型模具分为四个
大类。
(一)压制成型模具
压制成型模具又称普通压模。它是将混炼过的、经加工成一定形状和称量过的半成品胶料直接
放入敞开的模具型腔中,而后将模具闭合,送入平板硫化压机中加压、加热。胶料在加热和压力作
用下硫化成型。压制成型模具由于结构简单、通用性强、适用面广、操作方便,故在整个橡胶模压
制品的生产中占有较大的比例。
(二)压铸成型模具
压铸成型模具又称传递式模具或挤胶法模具。它是将混炼过的、形状简单的、限量一定的胶条
或胶块半成品放入压铸模料腔中,通过压铸塞的压力挤压胶料,并使胶料通过浇注系统进入模具型
腔中硫化定型。压铸成型模具结构比普通压模复杂,它适用于制作普通模压法所不能压制或勉强压
制的薄壁、细长易弯的制品以及形状复杂难于加料的橡胶制品。采用这种结构的模具所生产的制品
致密性好,质量优越。
(三)注射成型模具
注射成型模具又称注压模具。它是利用注射机的注射压力,将预加热成塑性状态的胶料经注射
模的浇注系统注入模具型腔中定型硫化。注射成型模具是目前橡胶工业中的一种新型模具,其结构
比压铸成型模具复杂,但它更适用于大型、厚壁、薄壁以及几何形状复杂的制品。使用这种模具生
产效率高,质量稳定,并能实现自动化生产。
(四)挤出成型模具
挤出成型模具又称挤出口型模。挤出工艺是橡胶加工中的一项基础工艺,其基本作业是在挤出
机中对胶料加热与塑化,通过螺杆的旋转,使胶料在螺杆和机筒筒壁之间受到强大的挤压力并不断
地向前移送,通过安装在机头的成型模具(口型模)而制成各种截面形状的橡胶型材半成品以达到
初步造型的目的,而后经过冷却定型输送到硫化罐内进行硫化或用作模压法所需的预成型半成品胶
料。这种模具在橡胶工业中应用很广,它的成本低、工效高,且制品致密性好。
除了上述四大类橡胶模具外,尚有蒸缸(硫化罐)硫化模具、充气模具、浸胶模具以及与专机
配套的橡胶模具等。它们适用于轮胎、蓄电池胶壳、玩具、胶鞋、乳胶制品等橡胶制品生产。
四、橡胶制品成型及其加工方法
橡胶制品的成型与加工方法,按工艺过程和使用设备的差异可分为三大类,即在平板硫化机中
模压的方法、注射机中注射的方法以及挤出机中挤出成型的方法。其中在平板硫化机中模压成型(包
括压铸成型)的方法被广泛采用,因为不论其成型模具结构,还是使用的设备都比较简单,并且通
用性强。
注射机注射成型模具,首先需要价格昂贵的注射机。此外,由于注射硫化工艺取决于多种因素,
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例如零件类型、生产的数量、模具制造成本以及设备限制等而未能被广泛采用。但随着工农业的迅
速发展,注射硫化工艺生产的橡胶制品,必将取代一部分模压制品,因为注射硫化工艺生产的橡胶
制品,质量稳定可靠,生产效率高。注射硫化工艺生产橡胶制品在国外已趋成熟,并被广泛应用,
注射硫化橡胶制品已占模压制品的20%以上。
挤出成型模具需要与挤出机相配,经挤出机机头口型挤出的橡胶制品只能算作半成品,挤出的
半成品经冷却定形后,在硫化装置中进行硫化定型为能使用的制品,如橡胶管材、板材、异型材、
棒材等,或挤出的半成品作为压制成型的坯料。
橡胶注射成型加工方法和挤出成型加工方法可参考塑料注射成型加工方法和挤出成型加工方
法。下面仅介绍橡胶压制制品的加工方法。

要获得正确的模压橡胶制品,必须首先具备两个生产条件,即有能保证橡胶制品几何形状和规
格尺寸的橡胶模具以及具有使橡胶在模具中硫化的设备。具备了这两个条件后,将混炼过的胶料成
型成一定形状和称量过的半成品胶料放置于模具型腔中,而后使模具在平板硫化机中受压受热。经
过一段时间压制,橡胶分子由线型结构转变成网状结构的交联而定型,即达到正硫化点状态,于是
获得所需的橡胶制品。

目前采用模压法生产的橡胶制品,所用的设备多为单层或多层的平板硫化机。
平板硫化机的平板是铸钢件,结构内部有互通的管道以保证通过蒸汽加热平板。被加热的平板
再将热量传递至被压制的模具。
~,对照温度在158~168℃范围。硫化时通常使用
~,硫化温度控制在143~151℃±2℃的范围内。
平板硫化机的工作压力来源于能够蓄能的水力泵站,压力控制在12~15MPa。
除此以外还有电阻丝加热平板和采用油压的平板硫化机。

设计橡胶模具必须了解和估计橡胶制品的半成品形状和加料方法,否则设计的模具不能或勉强
用于生产。
橡胶制品的半成品胶料在送到模压制品车间以前,都要经过炼胶机加工,把胶料压成一定厚度
和宽度的胶片,然后采用各种不同的方法,按模具结构、型腔大小,差不多对每一个零件都要准备
一个形状类似的半成品胶料。这些方法包括人工剪切成型或切胶机切成胶条,冲切机冲截成圆环,
有条件的工厂利用挤出机备用的不同口径口型模挤出一定形状的胶绳,经过截断称量,最后放人压
模型腔中加压、加热硫化成所需的橡胶制品。
橡胶半成品进行压制硫化时,应保证半成品的形状和重量。半成品的重量不宜过多,重量过多
会使硫化时形成大量的外溢胶边(飞边),造成胶料浪费,制品外观质量差;半成品胶料也不宜过少,
过少会使制品因缺胶造成缺陷、微孔而报废。因此加入型腔中的半成品的重量宜为制品重量加上5
%~10%的飞边流失。

一副新制成的橡胶成型模具,一般不能直接投入生产。首先经试模人员按产品图样要求试压1~
2模,按常规检查模具结构、操作性能并按产品图样核对试压样品的外形尺寸(俗称核样)。上述要
求合格后,方可制订工艺文件投入生产。
正确合理的硫化工艺,才能保证得到优质的制品和减少模具损坏。
整个压制过程可分为如下几个步骤:
(1)将符合操作要求的成型模具,放置于平板硫化机中,预热10~20min至硫化温度。
(2)将被预热后的模具从平板硫化机中拉出(手工操作)或推出(机械操作)到工作台上,起
开模板,把已称量过的半成品胶料填入模具型腔中,而后将模板合拢(闭合),依然置于平板硫化机
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正中。
(3)启泵,将平板硫化机的平板升起,在高压水作用下锁紧模具,进行硫化。
多数橡胶制品厂都装有高、低压泵站,启泵时,先启动低压泵(俗称轻泵)将平板快速升起,
由于低压泵压力低于10MPa,当升至上下平板接触模具中凸起的半成品胶料时,速度自然放慢并将
模具中凸起的半成品胶料缓慢地压人型腔,并在缓慢低压情况下,又起到对准上下模定位导销、型
芯、镶块,使其正确无误合模的作用,而后关闭低压泵,开启高压泵(俗称重泵)将模具紧紧锁住。
这种装有高低压泵站的装置,有利于半成品胶料全部压入型腔各部,又可减少模具损坏。
(4)模具在规定的硫化时间内,制品达到正硫化点,即在规定的压力和温度下,使其制品达到
最适宜的综合使用性能所需的硫化时间(不包括升温(预热)时间)。
(5)降泵,放下锁紧的平板,将模具从平板机中拉出或推出,置于工作台上。将硫化后的模具
用专用工具或脱模机构顶开或手工撬开,然后趁模具温度较高时尽快取出橡胶制品,以防止模具冷
却而使制品受冷收缩,影响制品取出与下一模硫化时间。
(6)取出制品后,尽快再次填人半成品胶料,按上述工艺过程,进行下一模制品的压制。
第二节橡胶压制成型模具
一、概述
橡胶模具设计与机械加工工艺、橡胶生产工艺等是密切相关的。一方面,橡胶模压制品是根据
其使用介质、使用温度等要求的不同选择不同的胶种模压而成,不同的橡胶具有不同的性能,不同
的橡胶模制品在生产工艺上又各不相同,所以在设计模具时应充分考虑制品生产工艺的要求;另一
方面,橡胶模具既是一种机械加工的实体,又是制品生产成本的一项因素,所以模具设计时应考虑
模具零部件的结构符合机械加工的要求,并根据制品生产量的多少选择不同的结构,在满足使用要
求的前提下,尽量减少模具加工费用。
二、橡胶压制成型模具的设计要点
(一)压制成型模具的结构种类
橡胶压制成型模具结构种类较多,按其结构、形状分类,常用的有如下几种:
(1)开放式(图8-2):开放式模具利用上下模最终吻合时的压力压制制品,多余胶料易从分
型面流掉(外溢),制品有水平方向飞边。开放式模具适用于硬度较低并具有较大流动性的胶料制造
形状简单的制品。
(2)封闭式(图8-3):封闭式模具型腔上端带有一定高度的镶嵌结构,压制过程中胶料不易
外溢而充分地充满型腔,制品致密性好。封闭式模具适用于夹布、夹其它织物的制品以及胶料硬度
较高、流动性较差的制品。
上模
中模
下模
图8-2开放式
图8-3封闭式图8-4半封闭式
(3)半封闭式(图8-4):半封闭式模具即模腔的一端带有一定深度锥面镶嵌配合。其特点是
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操作安全,定位可靠,并且不易拉毛配合面,使用面广。半封闭式模具适用于上下模带有型腔,制
品同轴度要求较高的单腔模具。
(4)铰链式(又称合页式)(图8-5):铰链式模具适用于制品较小或模具中的镶块或镶片暴露
在凸模上,操作时容易碰伤的场合。
(5)外箍压紧式(图8-6):适用于夹布胶带、夹锦纶、涤纶丝三角胶带、平胶带以及电影机
传动胶带等夹织物制品。
图8-5铰链式(又称合页式)图8-6外箍压紧式
1—下模;2-上模;3-镶块;4-挡板1-上模;2-下模;3-衬圈;4-外箍
(二)压制成型模具的设计原则
为了保证橡胶模压制品有正确的几何形状和一定的尺寸精度,在设计模具时应该遵循如下原则:
(1)掌握和了解橡胶制品选用的橡胶材料(牌号)硬度(邵氏)和收缩率;
(2)所设计的模具结构合理、定位可靠、操作方便、易于清洗和制品修边;
(3)模具中开置的模腔数量应适当,便于机械加工和使用;
(4)在保证足够的强度和刚度情况下力求模具重量轻;
(5)模具设计应符合系列化、标准化,力求各厂通用;
三、压制模具与压机的关系
橡胶模具设计者必须在一定程度上熟悉压机(平板硫化压机)的主要技术规范,特别是了解压
机的最大加工能力以及装模部分的有关尺寸,如压机吨位、平板面积以及压机有效行程距离。否则
将会出现模具在压机中无法安装和使用的现象。
目前国内较多橡胶制品厂采用的压机有专用柱式或框式平板硫化压机。柱式或框式平板硫化压
机加热方式又分为蒸汽与电加热两种。
蒸汽加热平板硫化压机中的平板内部钻(铸)有回形的通道,可通人蒸汽和冷水,使平板均匀
地加热和冷却。
加热平板的蒸汽和冷却水,可由工厂蒸汽总管引至集汽箱,再由集汽箱分道经过装有填料管或
金属软管的导管分配至各层平板,保证平板温度均匀。当平板上下移动时,装有密封填料的导管①
或金属软管能随着移动,并能保持上下移动时不漏气。
平板上下移动的液压动力来源于中央蓄力站供给的压力液,其工作液多为油水混合的乳化油或
水。平板上下移动的液压动力供应由两种压力即高、低压力泵供给。~1MPa,用于快
速升起、缓慢合模;高压水为10~15MPa,用于压(锁)紧模具。
①装有密封填料的导管,使用一个时期后,由于水垢或垃圾的影响,易于磨损或漏气。多数工厂维修后改用紫
铜回形管或金属编织高压胶管代用。装有密封填料的导管已趋淘汰。
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专用橡胶硫化平板压机,目前大量使用的吨位有250、450、1000、1400、1600、2000、2500kN。
图8-7为250kN柱式双层平板硫化压机的外形图及主要技术规范。
(a)(b)
图8-7250kN柱式双层平板硫化压机外形图
(a)蒸汽加热
1-液压泵;2-蒸汽压力表;3-液压泵压力表;4、5、6-平板;7-控制阀
(b)电加热
1-油泵压力表;2-电加热平板;3-控制箱;4-控制阀
主要技术规范
总压力(锁模力)250kN

平板面积(长×宽)350mm×350mm
平板单位面积压力2MPa
工作层数2层
每层间距75mm
平板上下最大行程(工作一层时)150mm
图8-6(a)
图8-6(b)
四、橡胶压制成型模具的设计
(一)模具设计的步骤
在模具设计中,首先会遇到如下几个问题:
(1)模具结构的选择;
(2)分型面的选择;
(3)型腔尺寸的确定;
(4)镶块及型芯安装方法的确定;
(5)其它尺寸的确定。
一般来说,对于同样一件橡胶制品,由于使用的设备不同,加工工艺不同,可以设计出各种不
同结构的模具。模具结构的形式,直接关系到制品质量、生产效率、模具本身加工的难易和使用寿
命等。因此,模具结构设计是模具设计的关键。
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(二)分型面的选择
分型面选择得合理与否,是模具结构设计优劣的关键。同一种制品,因分型面的位置选择不同,
直接影响到胶料的填充、制品的质量、模具的加工、模具的使用以及制品修边的难易程度。为了保
证制品质量及得到结构合理的模具,在选择分型面时应遵循以下原则。

一般说来,在设计时如果分型面位置选择不当,压制后的制品就很难脱模及取出,特别是制品
中带有刚性的金属嵌件(骨架)时,应特别注意分型面位置的选择。
如图8-8(a)所示的模具虽然简单,